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不列顛哥倫比亞大學姜鋒教授、Peyman Servati教授《Nano Letters》：殼聚糖改性纖維素多孔結構用于可回收、高靈敏濕度驅動器及自動冷卻紡織品

2024-11-01 來源：高分子科技

具備可編程性、刺激響應性和快速響應特性的濕度驅動器近年來備受關注。盡管傳統聚合物材料能夠實現上述性能，但其在可穿戴系統中的應用仍面臨生物相容性和生物降解性欠佳等限制。由于纖維素良好的親水性及可生物降解性，纖維素基濕度驅動器作為潛在替代材料，已引起廣泛研究，但其響應速度較慢、穩定性及界面粘附力不足等問題仍亟待解決。

近日，不列顛哥倫比亞大學姜鋒教授團隊和Peyman Servati教授合作，利用殼聚糖改性微米級纖維素纖維結合TEMPO氧化納米纖維素，構建了一種雙層結構的濕度驅動器。質子化的殼聚糖與呈負電性的納米纖維素之間產生強烈的靜電吸引，從而實現穩固的界面結合。不同尺度的纖維素纖維構建出分級多孔結構，同時利用兩種纖維親水性的差異，形成有效的潤濕梯度，賦予驅動器穩定且快速的濕度驅動性能。該研究成果以“Recyclable Chitosan-Modified Cellulose Fiber Porous Structure for Sensitive and Robust Moisture-Driven Actuators and Automatic Cooling Textiles”為題發表于期刊《Nano Letters》，不列顛哥倫比亞大學博士研究生朱嘉瑩為論文的第一作者，通訊作者為朱朋輝博士后、Peyman Servati教授和姜鋒教授。

圖1. 微米級纖維-殼聚糖/納米纖維素濕度驅動器的結構和工作原理及驅動性能展示。

通過多尺度纖維素纖維的組合，構建具有不對稱多孔結構的驅動器，以實現水汽在驅動器內部的定向傳輸。該設計引入質子化的殼聚糖以增強層間界面的結合強度，從而確保驅動器在反復接觸水汽時保持穩定的驅動性能。當水汽接觸到親水性較弱的微米級纖維-殼聚糖層時，由于微米級纖維之間的孔隙結構較大，水汽被有效引導至另一層。同時，親水性更強的納米纖維素層能夠迅速捕捉并擴散水汽至其表面，從而在驅動器內部建立濕度梯度，確保驅動性能的持續穩定（如圖1所示）。

圖2. 微米級纖維-殼聚糖/納米纖維素濕度驅動器的結構和表面潤濕性能表征。

掃描電鏡圖像揭示了驅動器上下層顯著的結構差異以及層間的緊密結合。微米級纖維-殼聚糖層表現出較大的孔隙結構、低潤濕性和較高的水汽流動性，而納米纖維素層則具有致密的微觀結構和高潤濕性，能夠同時吸附與脫附水蒸氣。上下層間微納米結構的協同效應與獨特的表面潤濕性賦予驅動器持續、定向的水汽傳輸能力，從而確保了驅動器在濕度變化環境下實現快速而穩定的驅動性能（如圖2所示）。

圖3. 微米級纖維-殼聚糖/納米纖維素濕度驅動器的響應性能表征。

與文獻中報道的一些濕度驅動器相比，這種具有分級結構的驅動器由于其定向水汽傳輸機制，表現出顯著的快速響應性能。此外，其溫度依賴性行為進一步表明該驅動器在不同溫度條件下的快速且穩定的驅動潛力，展示了其在多種熱環境中的應用前景（如圖3所示）。

圖4. 微米級纖維-殼聚糖/納米纖維素濕度驅動器的可回收性及可生物降解性表征。

由于驅動器上下層間靜電相互作用的可逆性，經氫氧化鈉處理后，納米纖維素層能夠輕易與微米級纖維-殼聚糖層分離。在循環回收3次后，驅動器的驅動性能依然保持穩定，彎曲角度保留率達97%，且響應時間基本無變化。此外，驅動器的所有組分均為可生物降解材料，埋入土壤兩周后能夠完全降解，顯示出良好的環境友好性（如圖4所示）。

圖5. 微米級纖維-殼聚糖/納米纖維素濕度驅動器的實際應用展示。

實際應用研究表明，該濕度驅動器可應用于智能織物，在人體出汗時驅動器自動打開以增強空氣對流，從而促進汗液蒸發與人體降溫。此外，該驅動器還可用作非接觸式電開關，進一步拓展了其應用場景（如圖5所示）。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04103

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（責任編輯：xu）

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